三峡水库库区上段水流特性分析

三峡水库的蓄水运用,使其河道型库区内水流有了明显的壅水型非均匀流特征,其流态的改变显著影响着泥沙输移和洪水传播特性。采取专门实测资料,分析库区上段的三维流速及紊动强度沿垂线的分布特征。结果表明:三峡水库上段纵向流速沿垂线分布基本符合对数流速分布公式,横向流速分布受地形影响较大,垂向流速明显,且方向一般向下;沿程各断面纵向、横向及垂向水流相对紊动强度分布比较均匀,尤其是垂向水流紊动强度沿程随着壅水程度的增大有增大的趋势。壅水型非均匀流在垂向流速及垂向紊动强度的分布特点,将给库区泥沙运动、尤其是悬移质含沙量沿垂线分布带来明显影响。     

弯道水流纵向流速剖面的试验研究

弯道水流特性的研究一直备受重视,而弯道水流纵向流速的分布则是其重要研究课题之一.本文运用弯道概化模型试验,利用ADV采集三维流速数据,对弯道水流纵向流速沿水深的分布进行了系统研究,得到了纵向流速剖面沿程和沿河宽的变化.研究表明,由于弯道水流的复杂性,试图采用单一计算模式来描述弯道纵向流速沿水深的分布是难以实现的.合理的流速剖面公式应当考虑水流参数、弯道尺度和参照部位等的综合影响.研究为进一步深入探讨弯道水流特性奠定了基础.     

定床上丁坝流场数值模拟

建立了边界拟和曲线坐标变换下的平面二维变水深流函数-涡量数值模型.给出的坐标变换可用于三维;计算紊动扩散系数采用F分布,模型可用于变水深情况.用本文的模型,研究了单个丁坝与不同个数、不同形式的丁坝群产生的流速场与涡量场,给出涡量与漩涡回流范围.结果表明:计算得出的流函数、涡量、流速合乎规律;丁坝坝头处流速大,流速梯度即涡量也较大.本文方法较通常紊流模型及原参数解简便,为丁坝绕流数值模拟的一条新途径.     

沙棘植物对水流表面流速横向分布影响的PIV野外试验

河渠中植被可以增大水流阻力、雍高水位并改变水流的横纵向流速分布.应用先进的PIV技术,在野外大型试验场,开展了沙棘柔性植物对水流特性影响的野外试验.根据实验数据,本文分析与讨论了沙棘柔性植物对水流表面流速沿横向分布的影响.分析表明,在恒定非淹没流作用下,无沙棘植物的对比段表面流速横向分布符合对数型顺"流舌"的光滑型态,沙棘柔性植物丛内的表面流速沿横向则呈现出反"流舌"型态,并沿整个断面的分布并不光滑,表现出沙棘植物对水流明显的阻力效应.在流出柔性植物后的对比段中,流速沿程增大,沿横向分布也开始逐渐恢复到无植物时的状态.这些对于研究河道植被阻力及滞流拦沙能力都有重要意义.     

基于非静压三维数值模型的丁坝水毁研究

为了分析丁坝水毁的原因,需要清楚丁坝局部水流特性和坝体压力分布情况,非静压水流模型不仅可以更精确地模拟丁坝局部水流流态,而且可以准确模拟坝体压力的空间分布。本文建立了基于非结构化网格求解三维自由表面流动的非静压数值模型,模型通过对Tominaga水槽试验的模拟,验证了模型的准确性和有效性。利用本文所建立的模型,模拟了两种常见的丁坝结构型式在两种工况下的水流及压力分布情况,分析了流速和压强变化对丁坝水毁的影响。分析表明,丁坝的坝头和坝根处的流速较大,而且坝头和坝根位置的坝前后压差也较大,从而导致丁坝的坝头和坝根处容易水毁。     

钱塘江河口潮流悬沙的二维模型计算

针对钱塘江河口潮强流急,动力、泥沙含量变化复杂,建立了二维水流泥沙数学模型,模拟水流运动及含沙量变化,通过实测资料率定,模型较好地模拟了河口沿程水位、测点流速、含沙量过程以及断面输沙量,并对潮流泥沙特性和泥沙分布平面特征作了分析.     

异侧竖缝式鱼道水力特性及放鱼试验研究

本文试验研究了异侧竖缝式鱼道的主流轨迹、主流速度的沿程变化规律、横向流速分布的特征及其随流量的变化情况,并进行了放鱼试验。试验研究是在浙江工业大学大比尺鱼道中进行的,考虑5种典型流量(Q=8.78,18.94,27.55,34.95,40.65L/s),取h/3和2h/3两个水深,沿每一水深平面纵向有12条横线(x=0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,110cm),每条横线上布设27个测点。通过试验研究,提出主流轨迹的经验公式、主流速度沿程变化的关系式、横向流速分布特征的半理论半经验公式等。另外,通过放鱼试验,给出过鱼对象(鲫鱼、河鳗)在主流低速区以及沿主流轨迹的溯游特性。     

60°弯道丁坝水流水力特性数值模拟研究

采用气液两相流模型结合RNG k-ε紊流模型(FLUENT 6.3)对60°弯道内布设丁坝时的水力特性进行了数值模拟,自由液面的捕捉采用VOF(Volume of Fluid)法,速度与压力的耦合方程组利用半隐式SIMPLE(Semiimplicit Method for Pressure-linked Equations)算法求解,控制方程采用有限体积法离散。将弯道内布设直丁坝时流速和水位的模拟结果与试验数据进行了比较,两者吻合较好。随后用该模型研究了T型丁坝对弯道水力特性的影响并与直丁坝进行了比较,结果表明:T型丁坝在调整水面横比降、减小坝后回流区长度、改善弯道水流流态等方面较直丁坝有明显优势。     

圆中环沉沙排沙池流场三维数值模拟研究

针对新型二级泥沙处理设施—圆中环沉沙排沙池,采用RNG k-ε湍流模型结合自由水面追踪的VOF方法对其流场进行水气二相流三维数值模拟。计算得出流速分布特性,在数值模拟结果与模型试验结果吻合良好的基础上,揭示流场分布规律。研究结果表明:数值模拟可弥补物理模型试验不足,对类似工程基本可以代替模型试验,提高研究效率;计算显示"圆中环"径向速度在数值上大于轴向及切向速度,表层水体径向流速大小沿径向及垂向锐减,水体沿径向存在回流区。     

大变径卜型岔管的水力特性及优化研究

管径相差较大的卜型分岔管的水流特性相对复杂,接口附近可能产生回流和负压,对管道的安全运行构成威胁。为了改善卜型岔管连接段的流态,建立三维CFD数值模型对锥形连接的大变径高压岔管的流动特性进行了模拟,获得了岔管区域的流速和压力分布。采用相应的物理模型试验进行测试比较,验证了数值模拟的准确性。通过数值模拟比较了有无锥形过渡的岔管的水流流态,对大变径卜型岔管的连接方式进行了优化。结果表明,采用锥形过渡可以有效地减少岔管的负压区和回流区,对防止大变径岔管的空蚀破坏,改善水流流态具有重要意义,为岔管体型优化提供参考。     

斜向射流入水垫塘淹没射流区的紊动特性

采用粒子成像测速技术(PIV),获得了水垫塘冲击射流全域瞬时精细流场,在此基础上,对淹没射流区的流速分布规律和水流紊动特征进行了系统研究。结果表明:淹没射流区射流横向断面的流速、紊动强度分布呈自相似分布规律;在射流纵向,射流轴线最大流速随着流程增加而呈-1次幂规律减小,射流半扩展宽度和紊动强度则随流程增加而线性增大;并提出了描述淹没射流区射流横向断面流速、紊动强度分布规律的方程,同时得到淹没射流区射流纵向上流速、半扩展宽度和紊动强度沿流程变化的计算公式。     

曲线坐标系下的三维k-ε-A_p固液两相湍流总沙输运模型

本文建立非正交曲线坐标系下的三维k-ε-A,固液两相湍流模型研究弯道内的水流泥沙运动和河床冲淤变形.河床变形计算采用推移质模型和总沙模型两种处理方法.两相湍流模型在计算推移质输运时采用泥沙的横纵向速度处理推移质的强度和方向,利用泥沙垂向速度计算悬沙与床沙之间的交换通量.计算发现两相湍流模型的河床冲淤变化分布结果比单相湍流模型的结果更接近试验结果,两相湍流总沙模型计算结果中局部区域的水深比两相湍流床沙模型计算得到的水深小.床面变形以及固液两相横纵向流速分布分析比较表明,泥沙运动的横向和纵向分布对床面变形的影响起重要作用,单相湍流模型在计算弯道内的推移质运动时夸大了二次流对泥沙横向输运的作用.     

河道溃堤水波的物理模型实验研究

河道堤坝溃决是我国易发灾害之一。溃堤将引发河道外洪水灾害和河道内水位流量的波动。现有溃堤研究多集中于应用数学模型模拟,现场观测和物理实验等直接观察获得的成果非常有限。本文通过在大型室内水槽中进行的物理模型实验,模拟了溃堤后洪水在溃口外洪泛区内的演进和落水波在河道内的传播过程。通过压力传感器阵列和声学多普勒流速仪对溃堤引发的水位、流速等变量进行了测量,并对溃堤波演变过程进行了研究。实验结果表明:(1)河道内的流速对于溃口下游洪水波的传播速度影响不大,但对溃口外水位的分布有一定的影响;(2)溃堤引发的河道内落水波在溃口上下游的影响不对称,落水波向上游传播较慢但幅度较大,而向下游传播较快但幅度较小;(3)溃堤发生后溃口流量随时间发生变化,水流稳定后溃口流量主要和上下游流量差有关,即溃口水流处于稳定分流状态。实验成果可为溃堤洪水动力学分析提供可靠的数据,为数学模型提供较为完整的验证资料,进而对河道溃堤洪水的预防和灾害控制提供科学的支撑作用。     

堆积体对近床面水流紊动强度试验研究

采用声学多普勒流速仪ADV对概化水槽中受堆积体影响河道的流速进行了精细的测量,并将数据代入无量纲化的紊动强度计算公式来分析流量、河道缩窄率、堆积体侧向坡度对河道近床面紊动强度分布的影响。试验结果表明：以堆积体对称轴断面为起点,在下游相对距离0 ~ 1.5断面处,由于堆积体对水流的束窄和突扩作用导致出现水跃,紊动强度波动较大形成强紊动区,且随阻流作用的增加而增加;在相对距离1.5 ~ 4.5断面,由于水流持续扩散导致紊动强度衰减,但左岸受回流影响紊动强度衰减较缓,因此左岸变化率小于右岸,且变化率随阻流作用的增加而增加;在相对距离4.5 ~ 6.5断面,紊动强度逐渐恢复平稳状态且大于相对距离-4.5 ~ 0断面。试验结论揭示了河道中的水流紊动特性及堆积体对河道水流紊动影响的内在机理,加深了对堆积体作用下的水流运动、泥沙冲淤和输移规律及河床演变发展变化的认识,可为研究山区河流受堆积体影响的河道水流紊动特性的数值模拟提供验证资料。     

大宽深比变曲率弯道水动力结构大涡模拟研究

弯曲型河流是自然界常见的河流形态，弯曲引起主流、二次流与湍流紊动相互作用，产生复杂的水动力结构，影响河流演变和物质输运。目前相关数值模拟及试验研究多针对小宽深、常曲率弯道，与天然河流大宽深、变曲率形态存在较大差异，为了揭示与天然河流相近的弯道水流运动特性，本文针对大宽深比正弦派生曲线弯道三维水流运动进行大涡数值（LES）模拟研究，结果表明：零曲率断面中心区域二次流沿河宽方向分布最为均匀，回流区范围最大，在大宽深比弯道中，回流区范围最大可达断面面积的15.5%。大宽深比弯道中部流动受到弯曲边界约束较弱，主流区内顺流向流速分布较小宽深比工况更接近于顺直矩形明渠，大宽深比情况下，主流核心区集中在弯道中线附近0.5 ~ 1倍水深范围，随着宽深比增大，弯顶附近涡量绝对值增大，对下游的影响范围增大。大宽深比弯道中水流紊动能整体水平较低，紊动能等值线分布和顺流向时均流速等值线一样，均受二次流影响，主流区中心紊动能最小，主流和局部回流区间的剪切层紊动能最大。     

不规则边界循环水体的流场特性分析

选择典型的具有不规则边界的循环水体为对象,通过对水体运动趋势,流场整体特性,进水口区域和出水口区域流场特性进行研究,得到了不同水深水层上的流速分布和沿水深的流速分布,并给出了水体置换时间的计算方法和工作流量下的水体置换时间,为不规则边界循环水体流场特性研究,提供了1个范例。     

异侧布置缝-孔-堰组合式鱼道紊流结构试验研究

我国沿海沿江洄游性鱼类众多,单一式鱼道难以满足鱼类不同溯游习性的要求。迄今,人们对单一式鱼道研究较多,而对组合式鱼道仅限于数值模拟工作,试验研究几乎是空白。本文对凹口堰-矩形中孔-竖缝组合式鱼道的紊流结构进行了较为系统的试验研究。采用声学多普勒测速仪（ADV）量测了鱼道水池内各点的三维瞬时流速,分析了组合式鱼道的流动特征、时均流速、紊动强度、雷诺应力、频谱特性、相关函数及紊动尺度。试验研究结果表明：与单一式鱼道比较,组合式鱼道水流具有显著的三维流动结构;纵向流速在水平面上存在明显峰值区,横向流速和垂向流速显示在横断面上存在旋涡区;在竖缝壁面射流与孔口射流汇聚区,纵向、横向及垂向紊动强度均较大,合并后则逐渐减小;雷诺应力峰值区主要出现在多股射流交汇区;纵向脉动能量主频峰值大小为孔口>凹口堰>竖缝;纵向脉动流速表现出随时间的相关性,并有凹口堰>孔口>竖缝,且沿程波动周期延长;积分尺度和微分尺度显示涡旋结构与组合式鱼道的流区有关。     

Y型宽尾墩与阶梯溢流坝联合消能流场模拟

宽尾墩与台阶溢流坝联合消能在我国水利工程中得到广泛应用。采用有限体积法离散求解,辅以RNG k-ε湍流模型,引入水汽两相流的VOF模型,利用几何重建格式的非恒定流迭代求解生成自由水面,对几何体型采用结构化网格相结合进行处理,从库区到消力池进行了水气两相流的数值模拟。通过模拟其三维流场,得到了整体水流流态、墩后水翅、断面水深等水力特性,重现了抛物线型水气交界面,并将模拟得到水深、消力池底面流速、消力池底板压力与实验数据进行了比较,平均分别误差分别为:#3表孔左边水深7.1%,右边为7.4%;#3表孔底面流速为5%;#1表孔消力池底板压力7.6%,#3表孔消力池底板为6.6%。     

Fluent软件在溢洪道泄流中的应用

运用Fluent软件采用标准k-ε紊流模型和VOF法追踪自由表面,模型进流边界按压力进口边界条件,采用UDF函数定义水流进口断面压强分布,对某水库溢洪道泄洪进行了三维数值模拟,得到了溢洪道泄流量、沿程水面线、底板压强及流速分布,计算值与试验值吻合较好。表明采用压力进口边界条件和UDF函数定义水流进口断面压强分布研究溢洪道泄流是可行的,可在泄水建筑物体形优化设计中广泛应用。     

非设计工况下虹吸式出水流道内流数值分析

采用非结构化网格和SIMPLEC算法，对非设计工况下虹吸式出水流道的内部流动进行了数值分析。结果表明，轴流泵后导叶出口断面流速分布不均匀，存在横向流速和剩余环量，与均匀、无旋和轴向出流假定有明显差别。在非设计工况下，虹吸式出水流道内部流态恶化，下降段和出口段的回流区范围增大，驼峰断面和出口断面轴向流速分布均匀度显著下降。在Q=3501／s时，出口断面左右两侧质量加权平均流速分别增大了93．39％和35．54％。研究还发现，流道右侧的流量大于流道左侧的流量，在p=2501／s及Q=4201／s时，左右侧流量比高达1：2．33。非设计工况下流道的水力损失恒大于相同流量时设计工况下的水力损失，左侧的水力损失大于右侧的水力损失，且不符合二次抛物线变化规律。在水泵最高效率点附近，设计工况与设计工况下水力损失的差值有最小值。